絶縁の種類と測定時の考慮事項

絶縁は、計測器の2つの異なる部分を物理的および電気的に分離する方法です。計測器で絶縁という用語が使用されている場合、それはほとんどの場合、電気的絶縁を指します。これは、互いに絶縁されたシステムの2つの部分の間に電流が流れないことを意味します。電気的絶縁にはいくつかの利点がありますが、測定確度に関する最大の利点の1つは、絶縁によりグランドループが遮断されることです。

また、絶縁は物理的および電気的バリアを使用して、高電圧または高過渡電圧をユーザまたは重要な回路コンポーネントから遠ざけることで安全性を確保します。これについては後のセクションで説明します。

最初に、グランドループについて簡単に説明します。詳細については、計測器の基本シリーズの「測定を改善するための接地に関する注意事項」ホワイトペーパーを参照してください。

グランドループ

グランドループは、集録アプリケーションにおける最も一般的なノイズ源です。これらは回路内の接続された2つの端子のグランド電位が異なる場合に発生し、2点間で電流が流れます。この電位差により、測定電圧V_mに誤差が生じます。この誤差は式1を使用して計算できます。

式1: グランドループが存在する場合の測定電圧。

ここで:

= 測定電圧

 = 信号電圧

  = 信号ソースグランドと計測器グランド間の電圧差

「測定のための接地に関する注意事項」ホワイトペーパーでは、信号ソースと測定システムの設定にグランド基準が1つだけ存在するようにすることで、グランドループを排除する方法を説明しています。しかし、絶縁されたハードウェアを使用すると、信号ソースのグランドと測定システムのグランド間を流れる電流の経路がなくなるため、グランドループも排除されます。

一般に、絶縁トポロジには、低レベル保護から高レベル保護まで3つの異なるタイプがあります。

• チャンネル/アース間の絶縁
• バンク (チャンネル/バス間) 絶縁
• チャンネル間の絶縁

チャンネル/アース間の絶縁

これは、計測器の絶縁の最低の保護レベルです。チャンネル/アース間の絶縁の概略図については、図1を参照してください。AI 1、AI 2、AIグランドに存在する電圧は互いに絶縁されていません。しかし、計測器グランドからは絶縁されています。この絶縁トポロジは、AI 1とアース間のグランドループを遮断しますが、AI 2が互いに絶縁されていないため、AI 1に存在する電流がAI 2に電圧を誘導する可能性があります。

^{図1:チャンネル/アース間の絶縁では、チャンネル同士を絶縁しないが、計測器グランドからは絶縁される。}

バンク (チャンネル/バス間) 絶縁

チャンネル/バス間の絶縁とも呼ばれるバンク絶縁では、複数の物理ラインがバンクと呼ばれるグループに組み込まれます。このアーキテクチャについては、図2を参照してください。異なるバンクのチャンネル間には絶縁バリアが存在するため、バンク間のグランドループ保護は高くなります。しかし、このトポロジでは、バンク内のチャンネルの信号が相互に影響する可能性があります。

^{図2:バンク絶縁では、異なるバンク間のグランドループ保護が高い。} 

チャンネル間の絶縁

このトポロジは、すべてのチャンネルがアースから絶縁されているだけでなく、各チャンネルが他のすべての個別チャンネルからも絶縁されているため、計測器ライン上の信号に対して最も包括的な保護を提供します。図3のこのトポロジを参照してください。

^{図3:チャンネル間絶縁では、各チャンネルは他のすべての個別チャンネルから絶縁されている。}

アナログ入力または出力チャンネルは、計測器の絶縁トポロジに関係なく、2つの異なる方法で絶縁できます。2つの方法の違いは、計測器の絶縁回路の位置です。アナログ絶縁は、アナログデジタル変換器 (ADC) の前のパスに絶縁回路があり、アナログ信号に作用します。デジタル絶縁は、新たにデジタル化されたデータに作用するため、ADCの後ろに絶縁回路があります。

アナログ絶縁

絶縁型アンプは、計測器のアナログフロントエンドで絶縁を提供するために使用される一般的な部品の1つです。図4に示すように、アナログデータはセンサからI/Oコネクタ、ゲインアンプ、絶縁型アンプ、そしてADCに渡されます。

^{図4:絶縁型アンプは、計測器のアナログフロントエンドで絶縁を提供するために使用される一般的な部品の1つ。}

アナログ絶縁の大きな利点の1つは、ADCを保護することです。絶縁はADCの前で提供されるため、ADCは過渡電圧や高電圧によって破損する可能性が低くなります。しかし、アナログ絶縁には欠点もあります。まず、アナログ絶縁は完全ではなく、ADCの前にあるため、ADCに到達する前のアナログ信号にゲイン誤差、非線形誤差、またはオフセット誤差が追加されることがあります。これは理想的ではなく、測定の確度が低下する可能性があります。さらに、アナログ絶縁コンポーネントは整定時間が長くなることがあり、多くの場合、デジタル絶縁コンポーネントよりも高価です。

デジタル絶縁

図5に示すように、アナログ絶縁とは対照的に、デジタル絶縁回路は計測器のADCの後ろに配置されます。

^{図5:アナログ絶縁とは対照的に、デジタル絶縁回路は計測器のADCの後ろに配置される。}

デジタル絶縁は、ADCによってデジタル化される前の測定信号の変化が少ないため、アナログ絶縁回路と比較して性能と確度が向上します。また、一般に全体的なコストが低く、高速なデータ転送速度で動作するため、デジタル絶縁回路にはアナログ絶縁回路よりも優れた利点があります。しかし、デジタル絶縁回路はADCの後ろにあるため、ADCは電圧スパイクによる損傷の影響をより受けやすくなります。

計測器の一般的な絶縁トポロジと、計測器内で信号に絶縁を適用できる場所については説明しました。しかし、絶縁バリア自体や信号が絶縁バリアを越える方法については説明していません。このセクションでは、絶縁バリアについて簡単に説明します。次に、絶縁バリアを越えて信号データを転送するために使用する3つの一般的な絶縁タイプについて説明します。

最も基本的な絶縁形態は物理的絶縁で、これは2つの電気システムの間に物理的なバリアを設ける方法です。これは、絶縁被覆、空隙、または2つの電気システム間のあらゆる非導電パスの形式の可能性があります。純粋な物理的絶縁では、電気システム間に信号転送が存在しないことを示唆します。絶縁された測定システムを扱う場合、グランドループを除去する利点を活かして、測定対象の信号が絶縁バリアを越える必要があります。そのため、絶縁バリアを越えて信号のエネルギーを伝達またはカプリングする必要があります。絶縁を越えて信号を転送する3つの一般的な方法を以下に説明します。

容量性絶縁

図6に示すように、容量性絶縁は電界を絶縁バリアを越えて信号を転送するためのエネルギーの形態として使用します。電界はコンデンサの電荷レベルを変化させます。この電荷は絶縁バリアを越えて検出され、検出された電荷は測定信号のレベルに比例します。

^{図6: 容量性絶縁は電界を絶縁バリアを越えて信号を転送するためのエネルギーの形態として使用する。} 

誘導性絶縁

図7に示すように、誘導性絶縁は変圧器を使用することで、絶縁バリアを越えて信号を転送します。変圧器は、測定信号に比例する電磁場を生成し、絶縁バリアを通過するエネルギーを生成します。

^{図7: 誘導性絶縁は、上記の記号で示された変圧器を使用して、絶縁バリアを越えて信号を転送する。}

容量性カプリングと同じく、誘導性絶縁は比較的高速なデータ転送レートが実現できます。高速伝送に加えて、誘導カプリングはデータ伝送に低電力を消費します。ただし、誘導カプリングは絶縁バリアを越える方法として電磁場を使用するため、周囲の磁界からの干渉の影響を受けやすくなります。外部磁界が変圧器によって生成される電磁場と干渉すると、測定の確度に影響する可能性があります。

光絶縁

光絶縁は、LEDと光検出器を使用して絶縁バリアを越えて信号情報を伝送します。光絶縁の絶縁バリアは通常は空隙であり、信号は光を使用して伝送します。LEDによって生成される光強度は、測定された信号に比例します。

^{図8:光絶縁は、LEDと光検出器を使用して絶縁バリアを越えて信号情報を伝送する。}

光絶縁は、絶縁バリアを越えて測定信号を伝送するエネルギーとして光を使用するため、電磁干渉に対する耐性という利点があります。このため、強力な電界または磁界が存在する可能性のある工業分野では、光絶縁は有効な技術です。光を使用することで得られる利点は、いくつかの欠点とバランスが取れています。光絶縁は通常、LEDのスイッチング速度に制限されるため、データ転送レートが遅いです。また、容量性絶縁および誘導性絶縁と比較して、消費電力が比較的大きくなります。

• 絶縁は、計測器の2つの異なる部分を物理的および電気的に分離する方法です。
• 絶縁測定システムの主な利点は、グランドループを遮断して、対象の信号をより正確に測定できることです。
• アプリケーション要件に基づいて、システムのニーズに最適な絶縁トポロジを選択できます。
  • チャンネル/アース間の絶縁は、チャンネルを計測器グランドから絶縁します。
  • バンク (チャンネル/バス) 絶縁は、ラインのグループ (バンク) を他のラインのグループおよび計測器グランドから絶縁します。
  • チャンネル間絶縁は、すべてのラインを存在する他のすべてのラインおよび計測器グランドから絶縁します。
• アナログ絶縁回路は、ADCを高電圧や過渡電圧から保護しますが、信号がADCに到達する前にゲイン誤差、非線形誤差、オフセット誤差が加わる可能性があります。
• デジタル絶縁回路はADCを保護しません。アナログ絶縁と比較した場合の利点は、低コスト、高速なデータ転送速度、ADCに到達する前の信号の変化が少ないことによる高い確度です。
• 絶縁タイプの概要: 

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